DE2303402B1 - Vorrichtung zum Herstellen eines Mehrschichtkörpers mittels Abkühlung schmelzflüssiger Lösungen - Google Patents

Description

• Eine weitere genaue Beschreibung der Arbeitsweise dieser Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 gegeben. Zum Zeitpunkt t3, bei dem eine Temperatur T1 angenommen wird, wird die Trägersubstanz 8 zur Schmelzflüssigkeit3 gezogen, und die Ziehung wird bis zum Zeitpunkt t2 mit einer angenommenen Temperatur T., ausgeführt, bei dem die Trägersubstanz 8 von der Schmelzflüssig-
• keit 3 weggezogen wird. Zum Zeitpunkt t3 mit der angenommenen Temperatur T8 wird die Trägersubstanz 8 zur Schmelzflüssigkeit 4 gezogen, und dort wird die Ziehung bis zum Zeitpunkt t4 mit der angenommenen Temperatur T4 ausgeführt, und dann wird die Trägersubstanz 8 von der Schmelzflüssigkeit 4 weggezogen. Die gleichen Arbeitsvorgänge werden zu den Zeitpunkten t5, t6, t7 und t8 ausgeführt, und es wird so eine aus einer Flüssigkeit gezogene mehrlagige Schicht mit vier Lagen geschaffen.
• Andere Ausführungsbeispiele dieser Erfindung werden in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschrieben, die Querschnitte der Vorrichtungen dieser Erfindung darstellen. Wenn der Schieber 9 so leicht ist, daß er auf den Flüssigkeiten 3, 4, 5 und 6 schwimmt, dringen die Schmelzflüssigkeiten zwischen dem Boot 1 und dem Schieber 9 ein. Um diesen Fehler zu vermeiden, ist der Schieber 9 so eingerichtet, daß er während seiner Bewegung nicht schwimmt.
• In einem in F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der obere Teil la des Bootes 1 so ausgeführt, daß er eine gerade Rinne 14 entlang der longitudinalen Richtung des Bootes 1 besitzt. Die Rinne 14 besitzt an ihren gegenüberliegenden longitudinalen Wänden zwei kleine Rinnen 14 a und 14 b. Der Schieber 9 besitzt zwei longitudinale Vorsprünge 9 a und 9 b, so daß er entlang der Rinne 14 gleiten kann unter Verbindung der Vorsprünge 9 a bzw. 9 b mit den kleinen longitudinalen Rinnen 14 a bzw. 14 b. Die anderen Bezugszeichen 2 und 8 bezeichnen die gleichen Teile wie in Fi g. 1.
• In einem in F i g. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der die Trägersubstanz 8 tragende Schieber 9 entlang seiner Längsrichtung eine zentrale Öffnung 15, so daß das Boot 1 mit den Vertiefungen 2 für die Schmelzflüssigkeiten entlang der Längsöffnung 15 des Schiebers 9 bewegbar ist.
• Kleine wie in Fig. 1 gezeigte Vertiefungen 7 sind auch zwischen benachbarten Vertiefungen 2 der in den F i g. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele geschaffen.
• Was den Temperaturverlauf anbelangt, so ist es nicht immer notwendig, bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen mit fortschreitender Zeit die Kühlung der gezogenen Lage nur in einer Richtung vorzunehmen. Es ist z. B. auch möglich, die Temperatur während eines gesamten Ziehverfahrens für mehrlagige Schichten anzuheben und dann zu senken.
• Darüber hinaus kann die Ziehung einer jeden Lage auf einem Temperaturdifferenz-Verfahren basieren, derart, daß durch Strahlung oder Erhitzung unter Verwendung der Stange 11 oder ähnlichem eine Temperaturdifferenz zwischen der Trägersubstanz 8 und den Schmelzflüssigkeiten 3, 4, 5 oder 6 hergestellt wird.
• In den Fig. 1, 3 und 4 kann der die Trägersubstanz 8 tragende Schieber 9 fest angebracht sein, während das die Schmelzflüssigkeiten 3, 4, 5 und 6 tragende Boot 1 bewegt werden kann.
• Als Schmelzflüssigkeiten können in dieser Erfindung alle Substanzen verwendet werden, soweit diese für die Flüssigkeitsziehung tauglich sind. Die Schablone 1 für den Ziehvorgang kann aus irgendeinem Material gebildet werden, das mit den Ausgangsstoffen für die Ziehung und mit der Trägersubstanz nicht reagiert, und das die Ziehung der Schichten mit einer niedrigen Beimengungskonzentration erlaubt, wie etwa Grafit, glasartigem Kohlenstoff, Quarz, Keramik oder ähnlichem.
• In unseren Versuchen wurde eine aus einer Flüssigkeit gezogene mehrlagige Schicht mit vier Lagen erhalten durch abwechselnde Ziehung von AlxGal~xAs und GaAs auf einer GaAs Trägersubstanz. Die verwendete Trägersubstanz war die Ebene (100) von N-Typ GaAs, das mit Te versetzt worden ist, und eine Trägerkonzentration von 10'6/com besaß. Die Schmelzflüssigkeit 3 war eine Mischung von 2 g Ga, 6 mg Al, 0,2 g GaAs und 20 mg Sn; die Schmelzflüssigkeit 4 war eine Mischung von 2 g Ga und 0,3 g GaAs; die Schmelzflüssigkeit 5 war eine Mischung von 6 mg Al, 0,2 g GaAs und 10 mg Zn; und die Schmelzflüssigkeit 6 war eine Mischung von 2 g Ga, 0,3 g GaAs und 10 mg Zn. Die Reinheit von Ga, GaAs und Zn betrug 99,99990/0, während die Reinheiten von Sn und Al 99,999°/o bzw. 99,99°/o betrugen. Die Schablone bestand aus Grafit und wurde zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 10000 C bei einem niedrigen Atmosphärendruck von ungefähr 16-6 mm Hg gebrannt. Die Ziehung wurde in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Der Wasserstoffstrom wurde in der durch einen Pfeil 12 angezeigten Richtung hindurchgeschickt. Der Temperaturverlauf wurde mit einer Kühlgeschwindigkeit von 1 bis 30 C pro Minute gesteuert. Die Ziehung aus der Schmelzflüssigkeit 3 wurde bei einer Temperatur von 850 bis 8400 C ausgeführt, die Ziehung aus der Schmelzflüssigkeit 4 bei einer Temperatur von 839 bis 838 oder 8360 C, die Ziehung aus der Schmelzflüssigkeit 5 bei einer Temperatur von 837 bis 835 oder ungefähr 8200 C, und die Ziehung aus der Schmelzflüssigkeit 6 von ungefähr 820 bis 8000 C.
• Gezogene Lagen von N-Typ AlxGal~xAs, von GaAs mit einer niedrigen Beimengungskonzentration, von P-Typ Al,Ga1As und von P-Typ GaAs, die in den obigen Versuchen erhalten wurden, haben eine Dicke von 3 bis 5 bzw. 1 bis 12 bzw. 3 bis 5 bzw. 4 bis 7 Mikron. Die Beimengungskonzentration der gezogenen GaAs-Lage mit niedriger Beimengungskonzentration betrug 1016/com, während jene der gezogenen P-Typ GaAs-Lage hoher Beimengungskonzentration 10t9/ccm betrug. Somit kann die Beimengungskonzentration in einem breiten Bereich von drei Potenzen gesteuert werden. Eine gezogene Lage mit niedriger Beimengungskonzentration kann erhalten werden, indem als zusätzliche Beimengung ein Material mit niedrigem Sättigungsdruck und kleinem Diffusionskoeffizienten verwendet wird. Darüber hinaus konnte durch die Röntgenstrahlenanalyse und durch die ein Laseremissionsspektrum verwendende spektroskopische Analyse der gezogenen Schichten auch keine Beimischung der Schmelzflüssigkeiten für die Ziehung der GaAs und der AlGaAs Lagen festgestellt werden.
• Die Werte von x und y in AlxGa~ SAs und A1,Ga,~,As lagen in dem Bereich zwischen 0,2 bis 0,5 bzw. 0,2 bis 0,4.
• Ein Doppel-Hetero-Obergangszonenlaser, der mit dem die Vorrichtung dieser Erfindung verwendenden obigen Verfahren hergestellt wurde, war ein hervorragender Laser mit niedriger Temperaturabhängigkeit, derart, daß dessen Stromdichte niedrig war und 4 13 A/cm2 und 2 104 A/cm2 bei 77 bzw. 3000 K betrug. Die Emissionswellenlänge des Lasers betrug 8300A bei 77 bzw. 3000K, und diese ist gleich jener des Lichtes aus dem GaAs Bereich mit niedriger B eimengungskonzentration.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Vorrichtung zum Herstellen eines Mehrschichtkörpers durch Aufwachsen der Schichten auf eine Unterlage mittels Abkühlung mehrerer nacheinander mit der Unterlage in Berührung zu bringender, schmelzflüssiger Lösungen der aufzuwachsenden Stoffe, mit einem mit einer in regelmäßigen Abständen angeordneten Anzahl von Vertiefungen für die verschiedenen Lösungen versehenen Tiegel und einem über die Vertiefungen verschiebbaren Schlitten, dessen Unterseite eine Vertiefung für die Unterlage aufweist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß im Tiegel(l) jeweils im Raum zwischen je zwei Vertiefungen (2) für die Lösungen eine leere Vertiefung (7) angeordnet ist.

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mehrschichtkörpers durch Aufwachsen der Schichten auf eine Unterlage mittels Abkühlung mehrerer nacheinander mit der Unterlage in Berührung zu bringender, schmelzflüssiger Lösungen der aufzuwachsenden Stoffe, mit einem mit einer in regelmäßigen Abständen angeordneten Anzahl von Vertiefungen für die verschiedenen Lösungen versehenen Tiegel und einem über die Vertiefungen verschiebbaren Schlitten, dessen Unterseite eine Vertiefung für die Unterlage aufweist.

   Bei den bekannten Ziehvorrichtungen (beispielsweise nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 922 892) für mehrlagige Schichten läßt es sich nicht vermeiden, daß die Schmelzflüssigkeiten als Folge der Bewegung der Schmelzflüssigkeiten auf der Trägersubstanz miteinander vermischt werden, da keine Vorrichtung vorgesehen ist für die Beseitigung der auf der Trägersubstanz haftenden Schmelzflüssigkeiten. Infolgedessen ist es schwierig, die Konzentration der Beimengungen zu steuern, oder es lassen sich bei gleichzeitigem Ziehen verschiedener Substanzen gar keine gezogenen Schichten der gewünschten Substanzen erreichen.

   Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Herstellen eines Mehrschichtkörpers der eingangs genannten Art, mit der eine mehrlagige Schicht mit einer niedrigen Beimengungskonzentration hergestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im Tiegel jeweils im Raum zwischen je zwei Vertiefungen für die Lösungen eine leere Vertiefung angeordnet ist. Hierdurch wird es ermöglicht, die auf der Trägersubstanz haftenden Schmelzflüssigkeiten zu beseitigen, so daß eine Vermischung der Schmelzflüssigkeiten auf der Trägersubstanz vermieden wird.

   Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ohne weiteres möglich, Schichten aus mehr als drei Lagen herzustellen, die aus verschiedenen Substanzen bestehen können. Dabei können die Temperaturen für das Aufwachsen der entsprechenden Lagen unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Vorrichtung ist verwendbar zur Herstellung verschiedener Halbleiterkörper aus mehreren Lagen gleicher oder verschiedener Substanzen, wie etwa eine Doppel-Heteroübergangszone, ein Transistor, eine Gunn- Diode, eine Laufzeitdiode mit negativem Widerstand usw.

   Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, F i g. 2 eine Kennlinie zur Erläuterung des Temperaturverlaufes in einer Vorrichtung nach der Erfindung, F i g. 3 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung und F i g. 4 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

   Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Schablone oder ein Schiffchen 1 für das Aufwachsen der Schichten enthält eine Anzahl von Vertiefungen 2, die jeweils mit Schmelzflüssigkeiten 3, 4, 5 und 6 gefüllt sind. Die Teile der Schablone 1 zwischen benachbarten Vertiefungen 2 enthalten jeweils zusätzliche, vorzugsweise kleinere, Vertiefungen 7. Eine Halbleiterträgersubstanz 8, die als Keimkristall benutzt wird, ist in einer in dem Schieber 9 befindlichen Vertiefung 10 untergebracht.

   Der Schieber 9 wird durch die Verwendung des Stabes 11, der durch Schwerkraft oder durch einen geeigneten mechanischen oder Motorantrieb (nicht dargestellt) gesteuert wird und in Richtung der Pfeile 12, 13 verschiebbar ist, nach rechts in die Richtung 12 gezogen, so daß die Halbleiterträgersubstanz 8 zu der Schmelzflüssigkeit 3 hingeschoben wird. Die Schlacke und der Überschuß der Schmelzflüssigkeit 3 werden von dem Schieber 9 entfernt, wenn dieser über die obere Fläche der Schablone 1 bewegt und mit dieser in Berührung gebracht wird, und es wird die Trägersubstanz 8 gegenüber der Schmelzflüssigkeit 3 angeordnet, so daß das Aufwachsen der Schicht auf der Trägersubstanz beginnt. Nach Ausführung des Aufwachsens der Schicht aus der Schmelzflüssigkeit 3 wird die Trägersubstanz 8 über die zweite Vertiefung 2 bewegt und mit der Schmelzflüssigkeit 4 in Berührung gebracht. Für das Aufwachsen der zweiten Schicht werden die gleichen Arbeitsvorgänge wie für die anderen Schichten wiederholt und so ein mehrlagiges Aufwachsen erreicht.

   Die Schlacke und der Überschuß der Schmelzflüssigkeit 3 werden in eine in der Schablone 1 zwischen den Schmelzflüssigkeiten 3 und 4 ausgebildete Vertiefung 7 geschabt, so daß die Schmelzflüssigkeit 3 nicht mit irgendeiner der Schmelzflüssigkeiten 4 vermischt wird. Auf diese Weise wird keine der Schmelzflüssigkeiten 3, 4, 5 und 6 mit einer anderen vermischt. Außerdem kann etwa an der Trägersubstanz haftende Schmelzflüssigkeit an der Kante der nächsten Vertiefung 7 entfernt werden.

   F i g. 2 zeigt ein Beispiel des Temperaturverlaufes in der mehrere Lagen erzeugenden Flüssigkeitsaufwachsvorrichtung nach der Erfindung. Auf der Abszisse 19 und auf der Ordinate20 sind die Zeit bzw.

   die Flüssigkeitstemperatur aufgetragen.